Шлирен визуализация - Schlieren imaging

Шлирен визуализация это метод визуализации изменений плотности в прозрачных средах.^[1]

Шлирен-визуализация фокусирующего ультразвукового преобразователя

Термин «шлирен-визуализация» обычно используется как синоним шлирен фотография, хотя в этой статье особенно рассматривается визуализация поля давления, создаваемого ультразвуковые преобразователи обычно в воде или средах, имитирующих ткань. Метод обеспечивает двумерное (2D) проекционное изображение акустического луча в реальном времени («живое видео»). Уникальные свойства метода позволяют исследовать особенности акустического поля (например, фокус в HIFU преобразователи), обнаружение неоднородностей профиля акустического луча (например, из-за дефектов преобразователя) и идентификация в реальном времени явлений, зависящих от времени ^[2] (например, в преобразователи с фазированной решеткой ). Некоторые исследователи^{[ВОЗ? ]} говорят, что шлирен-визуализация эквивалентна Рентгеновский снимок акустического поля.^{[нужна цитата ]}

Настраивать

Настройка системы визуализации Schlieren: конфигурация на основе линейных линз

Оптическая установка шлирен-системы визуализации может состоять из следующих основных частей:^{[нужна цитата ]}Параллельный луч, фокусирующий элемент, упор (острый край) и камера. Параллельный луч может быть получен с помощью точечного источника света (иногда используется лазер, сфокусированный в точечное отверстие), помещенного в фокусную точку коллимирующего оптического элемента ( линза или зеркало). Фокусирующим элементом может быть линза или зеркало. Оптическая остановка может быть реализована с помощью бритвы, расположенной горизонтально или вертикально в фокусе фокусирующего элемента, осторожно расположенной так, чтобы блокировать изображение светового пятна на его краю. Камера расположена позади упор и может быть оснащен подходящей линзой.^{[нужна цитата ]}

Физика

Описание лучевой оптики

Параллельный луч описывается как группа прямых и параллельных «лучей».^{[нужна цитата ]}Лучи проходят через прозрачную среду, потенциально взаимодействуя с акустическим полем, и, наконец, достигают фокусирующего элемента.^{[нужна цитата ]}Обратите внимание, что принцип фокусирующего элемента заключается в том, чтобы направлять (то есть фокусировать) лучи, которые параллельны - в одну точку на фокальной плоскости элемента. Таким образом, совокупность лучей, пересекающих фокальную плоскость фокусирующего элемента, можно разделить на две группы: те, которые взаимодействуют с акустическим полем, и те, которые не взаимодействуют. Последняя группа не подвержена влиянию акустического поля, поэтому остается параллельной и образует точку в четко определенной позиции в фокальной плоскости. Оптический упор располагается точно в этой точке, чтобы предотвратить дальнейшее распространение всех соответствующих лучей через систему и камеру.^{[нужна цитата ]}Таким образом, мы избавляемся от части света, которая пересекла акустическое поле без взаимодействия. Однако есть также лучи, которые действительно взаимодействовали с акустическим полем следующим образом: если луч проходит через область неоднородной плотности, пространственный градиент которой имеет компонента, ортогонального лучу, этот луч отклоняется от своей первоначальной ориентации, как если бы он проходил через призма. Этот луч больше не параллелен, поэтому он не пересекает точку фокусировки фокусирующего элемента и не блокируется ножом. В некоторых случаях отклоненный луч выходит за пределы лезвия ножа и достигает камеры, чтобы создать точечное изображение на датчике камеры, положение и интенсивность которого связаны с неоднородностью, испытываемой лучом. Изображение формируется таким образом исключительно за счет лучей, которые взаимодействуют с акустическим полем, обеспечивая отображение акустического поля.^{[нужна цитата ]}

Описание физической оптики

В акустооптический эффект соединяет оптический показатель преломления среды с ее плотностью и давлением. Таким образом, пространственные и временные изменения давления (например, из-за ультразвукового излучения) вызывают соответствующие изменения показателя преломления. Оптический длина волны и волновое число в среде зависят от показателя преломления. В фаза приобретено электромагнитная волна прохождение через среду связано с линейным интегралом волнового числа вдоль линии распространения.^{[нужна цитата ]}

Для плоско-волнового электромагнитного излучения, распространяющегося параллельно оси Z, плоскости XY представляют собой изофазовые многообразия (области постоянной фазы; фаза не зависит от координат (x, y)). Однако, когда волна выходит из акустического поля, плоскости XY больше не являются изофазными коллекторами; информация о накопленном давлении вдоль каждой линии (x, y) находится в фазе выходящего излучения, формируя фазовое изображение (вектор) в плоскости XY. Информация о фазе дается параметром Рамана-Ната:^[3]

{ displaystyle v (x, y) = { frac {2 pi kappa} { lambda}} int {p (x, y, z)} , dz}

с ${ displaystyle kappa}$ - пьезооптический коэффициент, ${ displaystyle lambda}$ длина оптической волны и ${ Displaystyle р (х, у, г)}$ трехмерное поле давления.^[4] Метод шлирена преобразует информацию о фазе в изображение интенсивности, которое может быть обнаружено камерой или экраном.

Заявление

Принятым золотым стандартом количественных акустических измерений является гидрофон. Однако сканирование акустического поля с помощью гидрофона страдает рядом ограничений, что приводит к дополнительным методам оценки, таким как получение шлирена. В исследованиях и разработках HIFU особое внимание уделяется технике шлирен-визуализации.^[5]Преимущества шлирен-визуализации:

Свободное поле: исследуемое акустическое поле не искажается измерительным зондом.
Измерения высокой интенсивности: метод совместим с высокой акустической интенсивностью.
В режиме реального времени: система визуализации Schlieren обеспечивает онлайн-видео акустического поля в реальном времени.

дальнейшее чтение

Харгазер, Майкл Джон; Сетлс, Гэри С. (9 июля 2009 г.). «Шлирен-визуализация, ориентированная на естественный фон». Эксперименты с жидкостями. 48 (1): 59–68. Дои:10.1007 / s00348-009-0709-3. S2CID 53590637.
Атчесон, Брэдли; Гейдрих, Вольфганг; Ирке, Иво (5 октября 2008 г.). «Оценка алгоритмов оптического потока для фоновой шлирен-визуализации». Эксперименты с жидкостями. 46 (3): 467–476. Дои:10.1007 / s00348-008-0572-7. S2CID 17713504.
Skeen, Scott A .; Манин, Жюльен; Пикетт, Лайл М. (2015). «Одновременная визуализация формальдегидом PLIF и высокоскоростным шлиреном для визуализации воспламенения в пламени распыления под высоким давлением». Труды Института горения. 35 (3): 3167–3174. Дои:10.1016 / j.proci.2014.06.040.
Willert, Christian E .; Mitchell, Daniel M .; Сориа, Хулио (5 апреля 2012 г.). «Оценка мощных светодиодов для получения шлирен-изображений с высокой частотой кадров». Эксперименты с жидкостями. 53 (2): 413–421. Bibcode:2012ExFl ... 53..413Вт. Дои:10.1007 / s00348-012-1297-1. S2CID 120726611.

внешняя ссылка

[korpel-1987-1] Корпель, А .; Mehrl, D .; Лин, Х.Х. (1987). "Шлирен-визуализация звуковых полей". IEEE 1987 Ультразвуковой симпозиум. С. 515–518. Дои:10.1109 / ULTSYM.1987.199011. S2CID 122562535.

[brown-2009-2] Браун, Спенсер А .; Гринбаум, Лиор; Штукмастер, Стелла; Садок, Иегуда; Бен-Эзра, Шмуэль; Кушкулей, Леонид (июль 2009 г.). «Характеристика нетеплового сфокусированного ультразвука для неинвазивного селективного разрушения жировых клеток (лизис): техническая и доклиническая оценка». Пластическая и реконструктивная хирургия. 124 (1): 92–101. Дои:10.1097 / PRS.0b013e31819c59c7. PMID 19346998. S2CID 205965366.

[raman-1935-3] Raman, C.V .; Нагендра Нате, Н. С. (октябрь 1935 г.). «Дифракция света на высокочастотных звуковых волнах: Часть I.». Труды Индийской академии наук - Раздел A. 2 (4): 406–412. Дои:10.1007 / BF03035840. S2CID 198141323.

[cook-4] Cook, B.D .; Cavanagh, E .; Дарди, Х. (Июль 1980 г.). «Численная методика расчета интегрального акустооптического эффекта». Транзакции IEEE по акустике и ультразвуку. 27 (4): 202–207. Дои:10.1109 / Т-СУ.1980.31173. S2CID 9320796.

[charlebois-5] Шарлебуа, Томас Ф .; Пелтон, Роджер С. (июнь 1995 г.). «Количественная двухмерная и трехмерная шлирен-визуализация для измерения акустической мощности и интенсивности» (PDF). Медицинская электроника: 66–73.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]